Integration of knowledge-based, qualitative and numeric tools for real time dynamic systems supervision

The proposal presented in this thesis is to provide designers of knowledge based supervisory systems of dynamic systems with a framework to facilitate their tasks avoiding interface problems among tools, data flow and management. The approach is thought to be useful to both control and process engineers in assisting their tasks. The use of AI technologies to diagnose and perform control loops and, of course, assist process supervisory tasks such as fault detection and diagnose, are in the scope of this work. Special effort has been put in integration of tools for assisting expert supervisory systems design. With this aim the experience of Computer Aided Control Systems Design (CACSD) frameworks have been analysed and used to design a Computer Aided Supervisory Systems (CASSD) framework. In this sense, some basic facilities are required to be available in this proposed framework: ·

Modelling stereoscopic vision systems for robotic applications

Aquesta tesi s'emmarca dins del projecte CICYT TAP 1999-0443-C05-01. L'objectiu d'aquest projecte és el disseny, implementació i avaluació de robots mòbils, amb un sistema de control distribuït, sistemes de sensorització i xarxa de comunicacions per realitzar tasques de vigilància. Els robots han de poder-se moure per un entorn reconeixent la posició i orientació dels diferents objectes que l'envolten. Aquesta informació ha de permetre al robot localitzar-se dins de l'entorn on es troba per poder-se moure evitant els possibles obstacles i dur a terme la tasca encomanada. El robot ha de generar un mapa dinàmic de l'entorn que serà utilitzat per localitzar la seva posició. L'objectiu principal d'aquest projecte és aconseguir que un robot explori i construeixi un mapa de l'entorn sense la necessitat de modificar el propi entorn. Aquesta tesi està enfocada en l'estudi de la geometria dels sistemes de visió estereoscòpics formats per dues càmeres amb l'objectiu d'obtenir informació geomètrica 3D de l'entorn d'un vehicle. Aquest objectiu tracta de l'estudi del modelatge i la calibració de càmeres i en la comprensió de la geometria epipolar. Aquesta geometria està continguda en el que s'anomena emph{matriu fonamental}. Cal realitzar un estudi del càlcul de la matriu fonamental d'un sistema estereoscòpic amb la finalitat de reduir el problema de la correspondència entre dos plans imatge. Un altre objectiu és estudiar els mètodes d'estimació del moviment basats en la geometria epipolar diferencial per tal de percebre el moviment del robot i obtenir-ne la posició. Els estudis de la geometria que envolta els sistemes de visió estereoscòpics ens permeten presentar un sistema de visió per computador muntat en un robot mòbil que navega en un entorn desconegut. El sistema fa que el robot sigui capaç de generar un mapa dinàmic de l'entorn a mesura que es desplaça i determinar quin ha estat el moviment del robot per tal de emph{localitzar-se} dins del mapa. La tesi presenta un estudi comparatiu dels mètodes de calibració de càmeres més utilitzats en les últimes dècades. Aquestes tècniques cobreixen un gran ventall dels mètodes de calibració clàssics. Aquest mètodes permeten estimar els paràmetres de la càmera a partir d'un conjunt de punts 3D i de les seves corresponents projeccions 2D en una imatge. Per tant, aquest estudi descriu un total de cinc tècniques de calibració diferents que inclouen la calibració implicita respecte l'explicita i calibració lineal respecte no lineal. Cal remarcar que s'ha fet un gran esforç en utilitzar la mateixa nomenclatura i s'ha estandaritzat la notació en totes les tècniques presentades. Aquesta és una de les dificultats principals a l'hora de poder comparar les tècniques de calibració ja què cada autor defineix diferents sistemes de coordenades i diferents conjunts de paràmetres. El lector és introduït a la calibració de càmeres amb la tècnica lineal i implícita proposada per Hall i amb la tècnica lineal i explicita proposada per Faugeras-Toscani. A continuació es passa a descriure el mètode a de Faugeras incloent el modelatge de la distorsió de les lents de forma radial. Seguidament es descriu el conegut mètode proposat per Tsai, i finalment es realitza una descripció detallada del mètode de calibració proposat per Weng. Tots els mètodes són comparats tant des del punt de vista de model de càmera utilitzat com de la precisió de la calibració. S'han implementat tots aquests mètodes i s'ha analitzat la precisió presentant resultats obtinguts tant utilitzant dades sintètiques com càmeres reals. Calibrant cada una de les càmeres del sistema estereoscòpic es poden establir un conjunt de restriccions geomètri ques entre les dues imatges. Aquestes relacions són el que s'anomena geometria epipolar i estan contingudes en la matriu fonamental. Coneixent la geometria epipolar es pot: simplificar el problema de la correspondència reduint l'espai de cerca a llarg d'una línia epipolar; estimar el moviment d'una càmera quan aquesta està muntada sobre un robot mòbil per realitzar tasques de seguiment o de navegació; reconstruir una escena per aplicacions d'inspecció, propotipatge o generació de motlles. La matriu fonamental s'estima a partir d'un conjunt de punts en una imatges i les seves correspondències en una segona imatge. La tesi presenta un estat de l'art de les tècniques d'estimació de la matriu fonamental. Comença pels mètode lineals com el dels set punts o el mètode dels vuit punts, passa pels mètodes iteratius com el mètode basat en el gradient o el CFNS, fins arribar las mètodes robustos com el M-Estimators, el LMedS o el RANSAC. En aquest treball es descriuen fins a 15 mètodes amb 19 implementacions diferents. Aquestes tècniques són comparades tant des del punt de vista algorísmic com des del punt de vista de la precisió que obtenen. Es presenten el resultats obtinguts tant amb imatges reals com amb imatges sintètiques amb diferents nivells de soroll i amb diferent quantitat de falses correspondències. Tradicionalment, l'estimació del moviment d'una càmera està basada en l'aplicació de la geometria epipolar entre cada dues imatges consecutives. No obstant el cas tradicional de la geometria epipolar té algunes limitacions en el cas d'una càmera situada en un robot mòbil. Les diferencies entre dues imatges consecutives són molt petites cosa que provoca inexactituds en el càlcul de matriu fonamental. A més cal resoldre el problema de la correspondència, aquest procés és molt costós en quant a temps de computació i no és gaire efectiu per aplicacions de temps real. En aquestes circumstàncies les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera solen basar-se en el flux òptic i en la geometria epipolar diferencial. En la tesi es realitza un recull de totes aquestes tècniques degudament classificades. Aquests mètodes són descrits unificant la notació emprada i es remarquen les semblances i les diferencies entre el cas discret i el cas diferencial de la geometria epipolar. Per tal de poder aplicar aquests mètodes a l'estimació de moviment d'un robot mòbil, aquest mètodes generals que estimen el moviment d'una càmera amb sis graus de llibertat, han estat adaptats al cas d'un robot mòbil que es desplaça en una superfície plana. Es presenten els resultats obtinguts tant amb el mètodes generals de sis graus de llibertat com amb els adaptats a un robot mòbil utilitzant dades sintètiques i seqüències d'imatges reals. Aquest tesi finalitza amb una proposta de sistema de localització i de construcció d'un mapa fent servir un sistema estereoscòpic situat en un robot mòbil. Diverses aplicacions de robòtica mòbil requereixen d'un sistema de localització amb l'objectiu de facilitar la navegació del vehicle i l'execució del les trajectòries planificades. La localització es sempre relativa al mapa de l'entorn on el robot s'està movent. La construcció de mapes en un entorn desconegut és una tasca important a realitzar per les futures generacions de robots mòbils. El sistema que es presenta realitza la localització i construeix el mapa de l'entorn de forma simultània. A la tesi es descriu el robot mòbil GRILL, que ha estat la plataforma de treball emprada per aquesta aplicació, amb el sistema de visió estereoscòpic que s'ha dissenyat i s'ha muntat en el robot. També es descriu tots el processos que intervenen en el sistema de localització i construcció del mapa. La implementació d'aquest processos ha estat possible gràcies als estudis realitzats i presentats prèviament (calibració de càmeres, estimació de la matriu fonamental, i estimació del moviment) sense els quals no s'hauria pogut plantejar aquest sistema. Finalment es presenten els mapes en diverses trajectòries realitzades pel robot GRILL en el laboratori. Les principals contribucions d'aquest treball són: ·Un estat de l'art sobre mètodes de calibració de càmeres. El mètodes són comparats tan des del punt de vista del model de càmera utilitzat com de la precisió dels mètodes. ·Un estudi dels mètodes d'estimació de la matriu fonamental. Totes les tècniques estudiades són classificades i descrites des d'un punt de vista algorísmic. ·Un recull de les tècniques d'estimació del moviment d'una càmera centrat en el mètodes basat en la geometria epipolar diferencial. Aquestes tècniques han estat adaptades per tal d'estimar el moviment d'un robot mòbil. ·Una aplicació de robòtica mòbil per tal de construir un mapa dinàmic de l'entorn i localitzar-se per mitja d'un sistema estereoscòpic. L'aplicació presentada es descriu tant des del punt de vista del maquinari com del programari que s'ha dissenyat i implementat.

A design of benchmarking method for assessing performance of e-Government systems

This paper is an initial work towards developing an e-Government benchmarking model that is user-centric. To achieve the goal then, public service delivery is discussed first including the transition to online public service delivery and the need for providing public services using electronic media. Two major e-Government benchmarking methods are critically discussed and the need to develop a standardized benchmarking model that is user-centric is presented. To properly articulate user requirements in service provision, an organizational semiotic method is suggested.

Multi-level Input Fusion in multi-modal systems

Context-aware multimodal interactive systems aim to adapt to the needs and behavioural patterns of users and offer a way forward for enhancing the efficacy and quality of experience (QoE) in human-computer interaction. The various modalities that constribute to such systems each provide a specific uni-modal response that is integratively presented as a multi-modal interface capable of interpretation of multi-modal user input and appropriately responding to it through dynamically adapted multi-modal interactive flow management , This paper presents an initial background study in the context of the first phase of a PhD research programme in the area of optimisation of data fusion techniques to serve multimodal interactivite systems, their applications and requirements.

A Conceptual Model for Group Support Systems in Local Councils

This paper proposes a conceptual model of a context-aware group support system (GSS) to assist local council employees to perform collaborative tasks in conjunction with inter- and intra-organisational stakeholders. Most discussions about e-government focus on the use of ICT to improve the relationship between government and citizen, not on the relationship between government and employees. This paper seeks to expose the unique culture of UK local councils and to show how a GSS could support local government employer and employee needs.

Designing hospital bedside systems for use by patients with a visual impairments

This paper describes the development of an interface to a hospital portal system for information, communication and entertainment such that it can be used easily and effectively by all patients regardless of their age, disability, computer experience or native language. Specifically, this paper reports on the work conducted to ensure that the interface design took into account the needs of visually impaired users.

Truth in complex adaptive systems models should be based on truth by constructive verification

It is argued that the truth status of emergent properties of complex adaptive systems models should be based on an epistemology of proof by constructive verification and therefore on the ontological axioms of a non-realist logical system such as constructivism or intuitionism. ‘Emergent’ properties of complex adaptive systems (CAS) models create particular epistemological and ontological challenges. These challenges bear directly on current debates in the philosophy of mathematics and in theoretical computer science. CAS research, with its emphasis on computer simulation, is heavily reliant on models which explore the entailments of Formal Axiomatic Systems (FAS). The incompleteness results of Gödel, the incomputability results of Turing, and the Algorithmic Information Theory results of Chaitin, undermine a realist (platonic) truth model of emergent properties. These same findings support the hegemony of epistemology over ontology and point to alternative truth models such as intuitionism, constructivism and quasi-empiricism.

A simulation model of self-organising evolvability in software systems

The evolvability of a software artifact is its capacity for producing heritable or reusable variants; the inverse quality is the artifact's inertia or resistance to evolutionary change. Evolvability in software systems may arise from engineering and/or self-organising processes. We describe our 'Conditional Growth' simulation model of software evolution and show how, it can be used to investigate evolvability from a self-organisation perspective. The model is derived from the Bak-Sneppen family of 'self-organised criticality' simulations. It shows good qualitative agreement with Lehman's 'laws of software evolution' and reproduces phenomena that have been observed empirically. The model suggests interesting predictions about the dynamics of evolvability and implies that much of the observed variability in software evolution can be accounted for by comparatively simple self-organising processes.

Combining Human and Machine Brains - Practical systems in information & control

In this paper a look is taken at how the use of implant technology can be used to either increase the range of the abilities of a human and/or diminish the effects of a neural illness, such as Parkinson's Disease. The key element is the need for a clear interface linking the human brain directly with a computer. The area of interest here is the use of implant technology, particularly where a connection is made between technology and the human brain and/or nervous system. Pilot tests and experimentation are invariably carried out apriori to investigate the eventual possibilities before human subjects are themselves involved. Some of the more pertinent animal studies are discussed here. The paper goes on to describe human experimentation, in particular that carried out by the author himself, which led to him receiving a neural implant which linked his nervous system bi-directionally with the internet. With this in place neural signals were transmitted to various technological devices to directly control them. In particular, feedback to the brain was obtained from the fingertips of a robot hand and ultrasonic (extra) sensory input. A view is taken as to the prospects for the future, both in the near term as a therapeutic device and in the long term as a form of enhancement.

Applying semiotic analysis to the design and modeling of distributed multimedia systems

Semiotics is the study of signs. Application of semiotics in information systems design is based on the notion that information systems are organizations within which agents deploy signs in the form of actions according to a set of norms. An analysis of the relationships among the agents, their actions and the norms would give a better specification of the system. Distributed multimedia systems (DMMS) could be viewed as a system consisted of many dynamic, self-controlled normative agents engaging in complex interaction and processing of multimedia information. This paper reports the work of applying the semiotic approach to the design and modeling of DMMS, with emphasis on using semantic analysis under the semiotic framework. A semantic model of DMMS describing various components and their ontological dependencies is presented, which then serves as a design model and implemented in a semantic database. Benefits of using the semantic database are discussed with reference to various design scenarios.

Designing Hospital Bedside Systems for use by Patients with Visual Impairments

This paper describes the development of an interface to a hospital portal system for information, communication and entertainment such that it can be used easily and effectively by all patients regardless of their age, disability, computer experience or native language. Specifically, this paper reports on the work conducted to ensure that the interface design took into account the needs of visually impaired users.

A multi-agent architect for CSCW systems: from organisational semiotics perspective

This paper describes a multi-agent architecture to support CSCW systems modelling. Since CSCW involves different organizations, it can be seen as a social model. From this point of view, we investigate the possibility of modelling CSCW by agent technology, and then based on organizational semiotics method a multi-agent architecture is proposed via using EDA agent model. We explain the components of this multi-agent architecture and design process. It is argued that this approach provides a new perspective for modelling CSCW systems.